Lodówka absorpcyjna
| Termodynamika |
|---|
|
Lodówka absorpcyjna to lodówka , która wykorzystuje źródło ciepła (np. energię słoneczną , płomień opalany paliwami kopalnymi, ciepło odpadowe z fabryk lub sieci ciepłownicze ) w celu dostarczenia energii potrzebnej do napędzania procesu chłodzenia. System wykorzystuje dwa chłodziwa, z których pierwszy chłodzi wyparnie , a następnie jest wchłaniany przez drugi płyn chłodzący; potrzebne jest ciepło, aby przywrócić dwa chłodziwa do ich stanów początkowych. Zasada może być również wykorzystana do klimatyzacji budynków z wykorzystaniem ciepła odpadowego z turbina gazowa lub podgrzewacz wody . Wykorzystanie ciepła odpadowego z turbiny gazowej sprawia, że turbina jest bardzo wydajna, ponieważ najpierw wytwarza energię elektryczną , potem ciepłą wodę, a na końcu klimatyzację – trójgenerację . Lodówki absorpcyjne są powszechnie stosowane w pojazdach rekreacyjnych (RV), kamperach i przyczepach kempingowych , ponieważ ciepło wymagane do ich zasilania może być dostarczane przez palnik na propan, niskonapięciową nagrzewnicę elektryczną prądu stałego (z akumulatora lub układu elektrycznego pojazdu) lub przez zasilanie sieciowe grzejnik elektryczny. W przeciwieństwie do bardziej powszechnych chłodniczych ze sprężaniem pary , lodówka absorpcyjna nie ma ruchomych części.
Historia
Na początku XX wieku popularny i szeroko stosowany był obieg par absorpcji z wykorzystaniem układów wodno-amoniakalnych, jednak po opracowaniu obiegu sprężania pary stracił on na znaczeniu ze względu na niski współczynnik efektywności (około jednej piątej cyklu sprężania pary). Lodówki absorpcyjne są popularną alternatywą dla zwykłych lodówek kompresorowych, w których energia elektryczna jest zawodna, kosztowna lub niedostępna, lub gdzie hałas ze sprężarki jest problematyczny; lub tam, gdzie dostępna jest nadwyżka ciepła (np. ze spalin turbin lub procesów przemysłowych lub z elektrowni słonecznych).
W 1748 roku w Glasgow William Cullen wynalazł podstawę nowoczesnego chłodzenia, chociaż nie przypisuje się mu użytecznego zastosowania. Więcej na temat historii chłodnictwa można znaleźć w akapicie Badania Chłodnictwa na stronie Chłodnictwo .
Chłodzenie absorpcyjne działa na tej samej zasadzie, co chłodzenie adsorpcyjne , które zostało wynalezione przez Michaela Faradaya w 1821 r., ale zamiast stałego adsorbera, w systemie absorpcyjnym absorber pochłania parę czynnika chłodniczego do cieczy.
Chłodzenie absorpcyjne zostało wynalezione przez francuskiego naukowca Ferdinanda Carré w 1858 roku. Pierwotnie projekt wykorzystywał wodę i kwas siarkowy. W 1922 roku dwóch studentów Królewskiego Instytutu Technologicznego w Sztokholmie w Szwecji , Baltzar von Platen i Carl Munters , udoskonaliło tę zasadę, wprowadzając konfigurację trójpłynową. Ta konstrukcja „Platen-Munters” może działać bez pompy.
Produkcja komercyjna rozpoczęła się w 1923 roku przez nowo powstałą firmę AB Arctic , którą w 1925 roku kupił Electrolux . W latach 60-tych XX wieku chłodzenie absorpcyjne przeżyło renesans ze względu na duże zapotrzebowanie na lodówki do przyczep kempingowych (przyczep turystycznych). Firma AB Electrolux założyła spółkę zależną w Stanach Zjednoczonych o nazwie Dometic Sales Corporation. Firma sprzedawała lodówki do pojazdów rekreacyjnych (RV) pod marką Dometic . W 2001 roku Electrolux sprzedał większość swojej linii produktów rekreacyjnych spółce venture capital EQT która stworzyła Dometic jako samodzielną firmę. Dometic nadal sprzedaje lodówki absorpcyjne w 2021 roku.
W 1926 roku Albert Einstein i jego były uczeń Leó Szilárd zaproponowali alternatywny projekt znany jako lodówka Einsteina .
Na konferencji TED w 2007 roku Adam Grosser przedstawił swoje badania nad nowym, bardzo małym urządzeniem do chłodzenia szczepionek o „nieciągłej absorpcji” do użytku w krajach trzeciego świata. Lodówka to mała jednostka umieszczona nad ogniskiem, której można później użyć do schłodzenia 15 litrów (3,3 imp gal; 4,0 galonów amerykańskich) wody do temperatury nieco powyżej zera przez 24 godziny w temperaturze 30 ° C (86 ° F) środowisko.
Zasady
Zwykłe lodówki absorpcyjne wykorzystują czynnik chłodniczy o bardzo niskiej temperaturze wrzenia (poniżej -18 ° C (0 ° F)), podobnie jak lodówki kompresorowe . Lodówki kompresyjne zazwyczaj wykorzystują HCFC lub HFC , podczas gdy lodówki absorpcyjne zazwyczaj wykorzystują amoniak lub wodę i potrzebują co najmniej drugiego płynu zdolnego do wchłonięcia chłodziwa, absorbentu , odpowiednio wody (w przypadku amoniaku) lub solanki (w przypadku wody). Oba typy wykorzystują chłodzenie wyparne : gdy czynnik chłodniczy odparowuje (wrze), zabiera ze sobą część ciepła, zapewniając efekt chłodzenia. Główną różnicą między tymi dwoma systemami jest sposób, w jaki czynnik chłodniczy zmienia się z gazu z powrotem w ciecz, dzięki czemu cykl może się powtórzyć. Lodówka absorpcyjna zamienia gaz z powrotem w ciecz za pomocą metody, która wymaga tylko ciepła i nie ma żadnych ruchomych części innych niż płyny.
Cykl chłodzenia absorpcyjnego można opisać w trzech fazach:
- Parowanie : Ciekły czynnik chłodniczy odparowuje w środowisku o niskim ciśnieniu cząstkowym , pobierając w ten sposób ciepło z otoczenia (np. komory lodówki). Ze względu na niskie ciśnienie cząstkowe temperatura potrzebna do odparowania jest również niska.
- Absorpcja : Drugi płyn, w stanie zubożonym, zasysa gazowy czynnik chłodniczy, zapewniając w ten sposób niskie ciśnienie cząstkowe. Powoduje to wytwarzanie cieczy nasyconej czynnikiem chłodniczym, która następnie przepływa do następnego etapu:
- Regeneracja : Ciecz nasycona czynnikiem chłodniczym jest podgrzewana, co powoduje odparowanie czynnika chłodniczego.
- A. Parowanie następuje na dolnym końcu wąskiej rurki; pęcherzyki gazowego czynnika chłodniczego wypychają ciecz zubożoną w czynnik chłodniczy do wyższej komory, z której będzie ona przepływać grawitacyjnie do komory absorpcyjnej.
- B. Gorący gazowy czynnik chłodniczy przechodzi przez wymiennik ciepła, przekazując swoje ciepło na zewnątrz systemu (na przykład do otaczającego powietrza o temperaturze otoczenia) i skrapla się w wyższym miejscu. Skondensowany (płynny) czynnik chłodniczy będzie następnie przepływał grawitacyjnie, aby zasilić fazę parowania.
W ten sposób system cicho zapewnia mechaniczną cyrkulację cieczy bez zwykłej pompy. Trzeci płyn, gazowy, jest zwykle dodawany, aby uniknąć problemów z ciśnieniem w przypadku wystąpienia kondensacji (patrz poniżej).
Dla porównania, pompa ciepła oparta na sprężarce działa poprzez pompowanie gazowego czynnika chłodniczego z parownika do skraplacza. Zmniejsza to ciśnienie i temperaturę wrzenia w parowniku oraz zwiększa ciśnienie i temperaturę skraplania w skraplaczu. Do działania pompy sprężarki wymagana jest energia z silnika elektrycznego lub silnika spalinowego. Sprężanie czynnika chłodniczego wykorzystuje tę energię do pracy nad gazem, zwiększając jego temperaturę. Ciepły gaz pod wysokim ciśnieniem wchodzi następnie do skraplacza, gdzie przechodzi przemianę fazową w ciecz, uwalniając ciepło do otoczenia skraplacza. Ciepły ciekły czynnik chłodniczy przepływa ze skraplacza wysokociśnieniowego do parownika niskociśnieniowego przez zawór rozprężny, znany również jako zawór dławiący lub zawór Joule'a-Thompsona. Zawór rozprężny częściowo odparowuje czynnik chłodniczy, chłodząc go poprzez chłodzenie wyparne, a powstająca para jest schładzana poprzez chłodzenie rozprężne. (Jest to połączenie chłodzenia Joule'a-Thompsona i pracy wykonanej przez rozprężający się gaz, w obu przypadkach kosztem energii wewnętrznej gazu) Zimny ciekły czynnik chłodniczy o niskim ciśnieniu będzie teraz absorbował ciepło z otoczenia parownika i odparowywał. Powstały gaz dostaje się do sprężarki i cykl zaczyna się od nowa.
Prosty system soli i wody
Prosty absorpcyjny system chłodniczy, powszechny w dużych zakładach komercyjnych, wykorzystuje roztwór bromku litu lub soli chlorku litu i wody. Woda pod niskim ciśnieniem odparowuje z wężownic, które mają być schładzane. Woda jest absorbowana przez roztwór bromku litu/wody. System usuwa wodę z roztworu bromku litu za pomocą ciepła.
Chłodzenie z absorpcją mgły wodnej
Inny wariant wykorzystuje powietrze, wodę i roztwór słonej wody. Wlot ciepłego, wilgotnego powietrza przepuszcza się przez rozpylony roztwór słonej wody. Spray obniża wilgotność, ale nie zmienia znacząco temperatury. Mniej wilgotne, ciepłe powietrze jest następnie przepuszczane przez chłodnicę wyparną , składającą się z rozpylanej świeżej wody, która chłodzi i ponownie nawilża powietrze. Wilgoć jest usuwana ze schłodzonego powietrza za pomocą kolejnego rozpylenia roztworu soli, zapewniając wylot chłodnego, suchego powietrza.
Roztwór soli jest regenerowany przez ogrzewanie go pod niskim ciśnieniem, co powoduje odparowanie wody. Woda odparowana z roztworu soli jest ponownie skraplana i kierowana z powrotem do chłodnicy wyparnej.
Jednociśnieniowe chłodzenie absorpcyjne
Domowa lodówka absorpcyjna. 1. Wodór wchodzi do rury z ciekłym amoniakiem 2. Amoniak i wodór wchodzą do komory wewnętrznej. Wzrost objętości powoduje spadek ciśnienia cząstkowego ciekłego amoniaku. Amoniak odparowuje, pobierając ciepło z ciekłego amoniaku (ΔH Vap ) obniżając jego temperaturę. Ciepło przepływa z cieplejszego wnętrza lodówki do zimniejszej cieczy, sprzyjając dalszemu parowaniu. 3. Amoniak i wodór wracają z komory wewnętrznej, amoniak wraca do absorbera i rozpuszcza się w wodzie. Wodór może swobodnie rosnąć. 4. Kondensacja gazowego amoniaku (chłodzenie pasywne).
5. Gorący amoniak. 6. Izolacja cieplna i destylacja gazowego amoniaku z wody. 7. Elektryczne źródło ciepła. 8. Naczynie absorbera (woda i roztwór amoniaku).
Jednociśnieniowa lodówka absorpcyjna wykorzystuje fakt, że szybkość parowania cieczy zależy od ciśnienia cząstkowego pary nad cieczą i rośnie wraz z niższym ciśnieniem cząstkowym. Przy takim samym całkowitym ciśnieniu w całym systemie lodówka utrzymuje niskie ciśnienie cząstkowe czynnika chłodniczego (a tym samym wysoką szybkość parowania) w części systemu, która pobiera ciepło z wnętrza lodówki o niskiej temperaturze, ale utrzymuje czynnik chłodniczy przy wysokim ciśnieniu cząstkowym (a więc niskim współczynniku parowania) w części systemu, która odprowadza ciepło do powietrza o temperaturze otoczenia na zewnątrz lodówki.
Lodówka wykorzystuje trzy substancje: amoniak , gazowy wodór i wodę . Cykl jest zamknięty, a cały wodór, woda i amoniak są gromadzone i ponownie wykorzystywane w nieskończoność. System jest pod ciśnieniem do ciśnienia, przy którym temperatura wrzenia amoniaku jest wyższa niż temperatura wężownicy skraplacza (cewki, która przekazuje ciepło do powietrza na zewnątrz lodówki, będąc cieplejszym niż powietrze na zewnątrz). Ciśnienie to wynosi zwykle 14– 16 standardowych atmosfer (1400–1600 kPa), przy których ciśnieniu punkt rosy amoniaku będzie wynosił około 35 ° C (95 ° F).
Cykl chłodzenia rozpoczyna się od wprowadzenia ciekłego amoniaku o temperaturze pokojowej do parownika. Objętość parownika jest większa niż objętość cieczy, a nadmiar przestrzeni zajmuje mieszanina gazowego amoniaku i wodoru. Obecność wodoru obniża ciśnienie cząstkowe gazowego amoniaku, obniżając w ten sposób punkt parowania cieczy poniżej temperatury wnętrza lodówki. Amoniak odparowuje, pobierając niewielką ilość ciepła z cieczy i obniżając jej temperaturę. Nadal paruje, podczas gdy duża entalpia parowania (ciepło) przepływa z cieplejszego wnętrza lodówki do chłodniejszego ciekłego amoniaku, a następnie do większej ilości gazowego amoniaku.
W kolejnych dwóch krokach gazowy amoniak jest oddzielany od wodoru, dzięki czemu można go ponownie wykorzystać.
- Mieszanina amoniaku (gaz) i wodoru (gaz) przepływa rurą z parownika do absorbera. W absorberze ta mieszanina gazów styka się z wodą (technicznie rzecz biorąc, słabym roztworem amoniaku w wodzie). Gazowy amoniak rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy wodór, który nie rozpuszcza się, gromadzi się na górze absorbera, pozostawiając na dnie silny roztwór amoniaku i wody. Wodór jest teraz oddzielony, podczas gdy amoniak jest teraz rozpuszczony w wodzie.
- W następnym etapie oddziela się amoniak i wodę. Roztwór amoniak/woda przepływa do generatora (kotła), gdzie ciepło jest doprowadzane do odparowania amoniaku, pozostawiając większość wody (która ma wyższą temperaturę wrzenia). W amoniaku pozostaje trochę pary wodnej i bąbelków; ta woda jest usuwana na ostatnim etapie separacji, przepuszczając ją przez separator, serię skręconych rur pod górę z niewielkimi przeszkodami, które powodują pęknięcie pęcherzyków, umożliwiając skraplanie się pary wodnej i spłynięcie z powrotem do generatora.
Czysty gazowy amoniak trafia następnie do skraplacza. W tym wymienniku ciepła gorący gazowy amoniak przekazuje swoje ciepło do powietrza zewnętrznego, które ma temperaturę poniżej temperatury wrzenia amoniaku pod pełnym ciśnieniem, a zatem skrapla się. Skondensowany (ciekły) amoniak spływa w dół w celu zmieszania z gazowym wodorem uwolnionym z etapu absorpcji, powtarzając cykl.
Zobacz też
Dalsza lektura
- Levy, A.; Kosloff, R. (2012). „Kwantowa lodówka absorpcyjna”. fizyka Wielebny Lett . 108 (7): 070604. arXiv : 1109.0728 . Bibcode : 2012PhRvL.108g0604L . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.070604 . PMID 22401189 . S2CID 6981288 .
Linki zewnętrzne
- Absorpcyjne Pompy Ciepła ( Biuro Efektywności Energetycznej i Odnawialnych Źródeł Energii ).
- Arizona Energy Wyjaśnienie z diagramami
- Obieg litowo-bromkowo-wodny – chłodzenie absorpcyjne do chłodzenia kampusu na BYU.
- Amerykański Narodowy Instytut Standardów . „Norma AHRI 560–2000 dla lodówek absorpcyjnych” (PDF) . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 2012-10-31 . Źródło 2012-03-31 .